利用雙楔形板和標準角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束偏轉(zhuǎn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學領(lǐng)域,涉及一種利用雙楔形板和標準角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束偏轉(zhuǎn) 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 角錐棱鏡,又稱角反射器或后向角反射器,它是一種高精度的光學元件,其基本功 能是實現(xiàn)對入射光束的原方向返回。角錐棱鏡廣泛應(yīng)用于光電測距和光電跟蹤的合作目 標、激光通信和光學變換等領(lǐng)域。當激光器發(fā)射的光束傳輸?shù)浇清F棱鏡時,將被原路返回至 與激光器處于同一位置的探測器,從而實現(xiàn)光電測距或光電跟蹤。
[0003] -個標準角錐棱鏡含有四個面,其中含一個入射面和三個直角面。入射面為等邊 三角形,邊長皆為L,三個頂點可以設(shè)為A、B、C。三個直角面皆為等腰直角三角形,且共一個 頂點〇,即三個直角面分別為(^8、(》(:、(^4,則每個直角面的斜邊長為1^直角邊長為^1/72。 貝1J頂點0距離入射面ABC的距離為Η〇,Η α = -般情況下,為了便于角錐棱鏡的安裝,會 將角錐棱鏡進行圓切割,切割圓與角錐棱鏡入射面的三條邊相切,則內(nèi)切圓的直徑(亦稱為 通光口徑)為光束正入射時角錐棱鏡的反射面積為S = JiD2/4。為以示區(qū)別,將圓 切割后的角錐棱鏡稱為圓切割標準角錐棱鏡。
[0004] 在一些應(yīng)用場合中,角錐棱鏡位于靜止平臺上,但激光器和探測器處于不同位置, 兩者間的距離為Ro。采用標準的角錐棱鏡難以將激光器發(fā)射的光束反射至探測器處。因此, 必須采用特殊的角反射器結(jié)構(gòu)或采用其他光學元件對反射光束進行偏轉(zhuǎn)。由于角錐棱鏡的 優(yōu)良特性,任意方向入射的光束都能被原方向返回,很難找到更好的光學元件替代品。因 此,有學者對標準的角錐棱鏡進行了結(jié)構(gòu)改造,使反射光束和入射光束產(chǎn)生一定夾角,從而 實現(xiàn)對反射光束的偏轉(zhuǎn)。中國工程物理研究院(葉一東,彭勇,陳天江等.角錐后向反射器的 數(shù)值模擬研究[J],光學學報,23(4),2003)和國防科技大學(楊雨川,羅輝.角錐棱鏡后向衍 射特性的Zemax分析[J],紅外與激光工程,39(3),2010)等單位研究了角錐棱鏡存在二面角 誤差時反射光束的傳輸特性,在遠場處形成了六個子光斑,由于反射光束的衍射效應(yīng),六個 子光斑能連成一體、形成半徑為R的實心光斑,從而實現(xiàn)對反射光束的擴散。只需滿足R> Ro,便可確保探測器能成功接收到反射光束。采用存在二面角誤差角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束 擴散的方法可簡稱為角誤差方法。
[0005] 角誤差方法的基本思路是:保持標準角錐棱鏡入射面A、B、C三點坐標不變,將頂點 0與入射面ABC的距離減小Δ h,可將ZAOB、ZAOC、ZB0C的角度同時增加 δ,即此時三個角度
。通過光學模擬軟件(如美國光學模擬軟件 Zemax)可以得到,采用角誤差為δ的角錐棱鏡時,反射光束將分解為六個子光斑,由于反射 光束的衍射效應(yīng),六個子光斑能連成一體、形成發(fā)散半角為Θ的實心光斑,從而實現(xiàn)對反射 光束的擴散;但該光斑在圓周上存在輻照強度差異。當角錐棱鏡采用BK7材料,且δ小范圍變 化時,Θ ? 0.013 X δ。含角誤差的角錐棱鏡為非標準角錐棱鏡。
[0006] 在激光器、探測器、角錐棱鏡都處于相對靜止的應(yīng)用場合中,含角誤差角錐棱鏡反 射形成的六個子光束空間位置確定且不會發(fā)生變化,只需將探測器放置在其中一個子光束 位置即可。因此,其他五個子光束則顯得多余。另外,含角誤差的角錐棱鏡加工及檢測較為 復(fù)雜,加工成本較高。因此,需要研究新的可用于靜止平臺上的反射光束偏轉(zhuǎn)方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對在激光器、探測器和角錐棱鏡處于相對靜止的應(yīng) 用場合中,角誤差方法在遠場形成六個子光束及加工成本較高的缺陷,利用標準角錐棱鏡 光線入射點與出射點不同且關(guān)于入射面中心點對稱的特性,提出一種利用雙楔形板和標準 角錐棱鏡實現(xiàn)反射光束偏轉(zhuǎn)的方法。
[0008] 本發(fā)明實現(xiàn)反射光束偏轉(zhuǎn)的步驟分為四步:
[0009] 第一步,由反射面積S確定圓切割標準角錐棱鏡及雙楔形板的通光口徑。圓切割標
,S為反射面積,S為目標值,由用戶直接給出。為了共形, 雙楔形板的通光口徑與標準角錐棱鏡的通光口徑D相等。
[0010] 第二步,加工通光口徑為D的圓切割標準角錐棱鏡。由于圓切割標準角錐棱鏡的加 工和檢測方法成熟,定制加工圓切割標準角錐棱鏡的成本較含角誤差的非標準角錐棱鏡低 得多。
[0011] 第三步,根據(jù)偏轉(zhuǎn)光束的偏轉(zhuǎn)角Θ (Θ值為設(shè)計目標值,由用戶直接給出),設(shè)計加工 通光口徑為D、楔形角為α的圓切割凸雙楔形板或圓切割凹雙楔形板。常見的單楔形板形狀 由一個梯形向垂直于梯形平面方向拉伸得到。梯形的高度為h,梯形的底邊寬度cU,頂邊的 寬度為c^dOcb。該梯形向垂直方向拉伸的長度為1(1 2 2D)得到單楔形板。則單楔形板的楔
將梯形底邊向垂直方向拉伸形成的面稱為底面,則底面是邊長 分別為1和cU的矩形;將梯形頂邊向垂直方向拉伸形成的面稱為頂面,則頂面是邊長分別為 1和山的矩形。
[0012] 將兩個相同的單楔形板的底面完全重合在一起后形成的結(jié)構(gòu)稱為凸雙楔形板。對 凸雙楔形板進行圓切割,在凸雙楔形板的脊,即兩個單楔形板的重合面(底面)中心處,即在 垂直方向1/2處,作半徑為D/2的圓,并進行光學切割,則得到通光口徑為D、楔形角(該楔形 角與構(gòu)成該凸雙楔形板的2塊單楔形板的楔形角是同一個角)為α的圓切割凸雙楔形板。本 發(fā)明實現(xiàn)的反射光束偏轉(zhuǎn)角Θ依賴雙楔形板的楔形角α,研究表明,光束偏轉(zhuǎn)角θ ? α/2。在具 體設(shè)計中,可以利用光學仿真軟件(如美國光學模擬軟件Zemax)進行模擬設(shè)計,得到反射光 束偏轉(zhuǎn)角Θ與圓切割凸雙楔形板的楔形角α的確切關(guān)系。
[0013] 將兩個相同的單楔形板的頂面完全重合在一起后形成的結(jié)構(gòu)稱為凹雙楔形板。對 凹雙楔形板進行圓切割,在凹雙楔形板的脊、即兩個單楔形板的重合面(頂面)的中心處,即 在垂直方向1/2處,作半徑為D/2的圓,并進行光學切割,則得到通光口徑為D、楔形角(該楔 形角與構(gòu)成該凹雙楔形板的2塊單楔形板的楔形角是同一個角,是同一個角)為α的圓切割 凹雙楔形板。本發(fā)明實現(xiàn)的反射光束偏轉(zhuǎn)角Θ依賴雙楔形板的楔形角α,研究表明,光束偏轉(zhuǎn) 角θ ? α/2。在具體設(shè)計中,可以利用光學仿真軟件(如美國光學模擬軟件Zemax)進行模擬設(shè) 計,得到反射光束偏轉(zhuǎn)角Θ與圓切割凹雙楔形板的楔形角α的確切關(guān)系。
[0014]圓切割凸雙楔形板和圓切割凹雙楔形板可以統(tǒng)稱為圓切割雙楔形板。由于對反射 光束的偏轉(zhuǎn)效果只與楔形角α有關(guān),因此,在本發(fā)明中,具有相同楔形角α的凸雙楔形板與凹 雙楔形板對反射光束的偏轉(zhuǎn)效果相同,可擇一使用。
[0015] 第四步,將圓切割雙楔形板和圓切割標準角錐棱鏡組裝在一起。圓切割雙楔形板 底面中心點〇2與圓切割標準角錐棱鏡入射面中心點⑴連成的直線與圓切割雙楔形板底面及 標準角錐入射面垂直,圓切割雙楔形板底面與圓切割標準角錐棱鏡入射面的距離為do,do 2 〇即可;若要求組裝后裝置緊湊,則讓do = 0。反射光束從圓切割標準角錐棱鏡出射后再進入 圓切割雙楔形板出射。
[0016] 圓切割雙楔形板和圓切割標準角錐棱鏡組裝在一起后,圓切割標準角錐棱鏡負責 對從激光器來的光束進行反射,圓切割雙楔形板負責對光束進行偏轉(zhuǎn),且出射光在遠場能 形成兩個子光束,兩個子光束的距離為Lt(L t = d · tan0,其中d為探測器與圓切割標準角錐 棱鏡的距離)。在激光器、圓切割標準角錐棱鏡和探測器相對靜止的應(yīng)用場合中,激光器和 圓切割標準角錐棱鏡之間的連線,與圓切割標準角錐棱鏡和探測器之間的連線成Θ/2角度, 即可探測到偏轉(zhuǎn)后的反射光束。
[0017] 本發(fā)明相對角誤差方法有兩個顯著優(yōu)點:一是有效降低了角誤差方法中子光束過 多的問題;二是本發(fā)明只需一個圓切割標準角錐棱鏡和一塊圓切割雙楔形板,結(jié)構(gòu)簡單,降 低了光學元件加工難度和成本,因此,本發(fā)明較角誤差方法等已知的反射光束偏轉(zhuǎn)的方法 具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。該方法在遠場只形成兩個子光束,相比含角誤差角錐棱鏡反射分成 六個子光束的情況,降低了子光束的數(shù)量,提高了單個子光束的面積。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明總體流程圖;
[0019] 圖2是入射面為圓形的圓切割標準角錐棱鏡示意圖,圖2(a)為正視圖;圖2(b)是等 軸視圖;圖2(c)是俯視圖;圖2(d)是右視圖);
[0020]圖3是單模形板;意圖,圖3(a)是仰視圖;圖3(b)是正視圖;
[0021 ]圖4是凸雙模形板;^意圖,圖4(a)是仰視圖;圖4(b)是正視圖;
[0022]圖5是圓切割凸雙模形板;意圖:圖5(a)是仰視圖;圖5(b)是正視圖;圖5(c)是側(cè) 視圖;
[0023]圖6是凹雙模形板;意圖:圖6(a)是仰視圖;圖6(b)是正視圖;
[0024]圖7是圓切割凹雙模形板;^意圖:圖7(a)是仰視圖;圖7(b)是正視圖;圖7(c)是側(cè) 視圖;
[0025] 圖8是圓切割凸雙楔形板與圓切割標準角錐棱鏡組裝圖:圖8(a)是三維立體圖;圖 8(b)是F-F剖面圖;
[0026] 圖9是圓切割凹雙楔形板與圓切割標準角錐棱鏡組裝圖:圖9(a)是三維立體圖;圖 9(